一种高分子量环状聚乳酸的合成方法与流程

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种精密合成高分子量环状聚乳酸的催化方法。

背景技术：

聚乳酸因其生物可降解性，对环境友好，而且具有很深远的研究意义和广泛的工业应用前景。同时它具有很好的生物相容性，对生物体没有明显的毒性和排异性，可以很好的应用在生物医学领域。

自从1954年杜邦公司通过丙交酯开环聚合两步法合成了高分子量的聚乳酸，人们一直致力于丙交酯开环聚合的研发。至今，开环聚合法已经很广泛的用于精密制备各种高分子量聚酯。

在开环聚合反应中，催化剂起着非常关键的作用。现如今，研究者开发了从金属催化剂到有机催化剂以及有机金属复合催化剂等各式各样的高效催化剂，但是他们基本都不能作为开环聚合合成环状聚乳酸的催化剂。而环状聚乳酸相比于线性聚乳酸有着本身独特的性质，尤其是具有不同的生物降解性和生物分散情况，因而在材料学以及生物医学上有独特的应用领域。然而，这种分子量高并且可控的环状聚乳酸的合成方法还十分稀缺，并且也是一个难点。

因此，有必要开发一种温和，高效，可控的催化方法来实现高分子量环状聚乳酸的精密制备。有人曾经报道过采用氮杂环卡宾兼性离子催化环酯开环聚合成环状聚合物(Waymouth et a1.Angew.Chem.Int.Ed.2007，46，2627；J.Am.Chem.Soc.2009，131，4884；ACS Macro Lett 2012，1，11 13；Angew.Chem.Int.Ed.2011，50，6388；J.Am.Chem.Soc.2009，131，18072)。但是，氮杂环卡宾作为一种超强碱，它本身对空气湿度较为敏感，故采用氮杂环卡宾作为催化剂的合成条件较为苛刻。

本发明提供了一种采用普通路易斯酸和路易斯碱协同催化实现温和，高效，可控的开环聚合精密制备高分子量环状聚乳酸的新方法。本发明中提供的路易斯酸以及路易斯碱都是可以商业购买到的且价格便宜，相对氮杂环卡宾也较为稳定，聚合过程简单易操作，合成的环状聚合物分子量高且可控。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种合成高分子量环状聚乳酸的新方法，采用普通路易斯酸和路易斯碱协同催化丙交酯开环聚合成环状聚乳酸。本方法温和，高效，且操作简便，可以用来工业化制备分子量高且可控的环状聚乳酸。

一种环状聚乳酸的合成方法，

以路易斯碱为引发剂，路易斯碱进攻丙交酯羰基碳，路易斯酸活化羰基氧并且稳定末端氧负离子，实现开环聚合，聚合完全后，以HCl/Et₂O来终止反应并使得两末端反咬脱去路易斯酸和路易斯碱，最终合成环状聚乳酸。

所述聚合方法具体步骤如下：

第一步：聚合反应体系中，路易斯酸与丙交酯先在溶剂中混合均匀。

第二步：向反应体系中加入路易斯碱，于室温下反应一段时间。

第三步：当反应体系中单体消耗完全后，加入HCl/Et₂O脱去链端路易斯酸和路易斯碱，终止反应，析出产物，合成了环状聚乳酸。

所述的路易斯酸为ZnCl₂，AlCl₃，FeCl₃。

所述的路易斯碱为4-二甲氨基吡啶(DMAP)，三乙胺(TEA)，N，N-二甲基环己烷(NCyMe₂)。

其结构式如下所示：

所述路易斯酸与路易斯碱的摩尔比为(1.2～2)∶1。

所述聚合方法在室温下完成。

所述溶剂为四氢呋喃(THF)。

所述高分子量环状聚乳酸M_n＞2kg·mol^-1。

本发明所述催化合成路线如下：

如催化合成路线所述，以路易斯酸ZnCl₂，路易斯碱DMAP为例，本发明先将ZnCl₂和丙交酯在溶剂四氢呋喃中混合均匀，后将DMAP加入到反应体系中开始开环聚合反应，当反应体系中的丙交酯单体完全消耗后，加入HCl/Et₂O脱去反应增长链末端的酸碱使之反咬生成环状丙交酯，并且伴随着反咬反应随之终止。最后，提纯析出聚合物。

有益效果：

本发明具有如下优点：

(1)路易斯酸碱本身便宜易得；

(2)反应在室温下进行，不需加热耗能，温和高效；

(3)反应过程操作简单易行；

(4)聚乳酸产物分子量高且可控；

(5)本发明提供了一种高分子量环状聚合物新方法。

本发明的路易斯酸碱协同催化给开环聚合合成高分子量环状聚合物提供了一种新方法。相对现有不多的高分子量环状聚合物合成方法中的氮杂环卡宾法，本方法本身涉及到的路易斯酸碱便宜易得，不需要氮杂环卡宾的复杂合成过程，且因为本身的稳定可靠反应过程操作也较简单。另外，本反应为路易斯酸碱协同催化，而氮杂环卡宾则是兼性离子催化，催化机制也有较大不同。通过这样的路易斯酸碱协同催化可以开环聚合合成更高分子量的环状聚乳酸。

具体实施方式

以下用具体实施例来说明本发明的技术方案，给出了具体的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限制于下述实施例。

实施例1

将丙交酯(2.5mmol，100equiv.)，AlCl₃(30μmol，1.2equiv.)加入到具有5mL THF的聚合管中，搅拌均匀。再将DMAP(25μmol，1equiv.)加入到反应体系中去开启聚合反应，聚合反应在室温下进行，并且整个体系在氩气保护下。反应过程中用¹H NMR检测丙交酯含量，当体系统丙交酯消耗完全后，加入HCl/Et₂O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)终止反应。用旋转蒸发仪旋去THF得到粗产物。用甲苯析出粗产物中的复合物以及金属盐，滤去固体杂质，再旋去甲苯。最后将产物溶于CH₂Cl₂中，再将混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。离心分离得到白色固体，转移至真空干燥箱中干燥。聚合物结构通过¹H NMR与¹³C NMR鉴定，聚合物的分子量及分散度通过GPC测定。经测定，聚合物的转化率＞99％，产率为58％，M_w为50.6kg/mol，M_n/M_w为1.5。

实施例2

将丙交酯(0.75mmol，30equiv.)，ZnCl₂(30μmol，1.2equiv.)加入到具有2mL THF的聚合管中，搅拌均匀。再将DMAP(25μmol，1equiv.)加入到反应体系中去开启聚合反应，聚合反应在室温下进行，并且整个体系在氩气保护下。反应过程中用¹H NMR检测丙交酯含量，当体系统丙交酯消耗完全后，加入HCl/Et₂O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)终止反应。用旋转蒸发仪旋去THF得到粗产物。用甲苯析出粗产物中的复合物以及金属盐，滤去固体杂质，再旋去甲苯。最后将产物溶于CH₂Cl₂中，再将混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。离心分离得到白色固体，转移至真空干燥箱中干燥。聚合物结构通过¹H NMR与¹³C NMR鉴定，聚合物的分子量及分散度通过GPC测定。经测定，聚合物的转化率＞99％，产率为46％，M_w为16.5kg/mol，M_n/M_w为1.3。

实施例3

将丙交酯(1.75mmol，70equiv.)，FeCl₃(37.5μmol，1.5equiv.)加入到具有4mL THF的聚合管中，搅拌均匀。再将DMAP(25μmol，1equiv.)加入到反应体系中去开启聚合反应，聚合反应在室温下进行，并且整个体系在氩气保护下。反应过程中用¹H NMR检测丙交酯含量，当体系统丙交酯消耗完全后，加入HCl/Et₂O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)终止反应。用旋转蒸发仪旋去THF得到粗产物。用甲苯析出粗产物中的复合物以及金属盐，滤去固体杂质，再旋去甲苯。最后将产物溶于CH₂Cl₂中，再将混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。离心分离得到白色固体，转移至真空干燥箱中干燥。聚合物结构通过¹H NMR与¹³C NMR鉴定，聚合物的分子量及分散度通过GPC测定。经测定，聚合物的转化率为＞99％，产率为51％，M_w为45.8kg/mol，M_n/M_w为1.6。

实施例4

将丙交酯(1.25mmol，50equiv.)，ZnCl₂(30μmol，1.2equiv.)加入到具有3mL THF的聚合管中，搅拌均匀。再将TEA(25μmol，1equiv.)加入到反应体系中去开启聚合反应，聚合反应在室温下进行，并且整个体系在氩气保护下。反应过程中用¹H NMR检测丙交酯含量，当体系统丙交酯消耗完全后，加入HCl/Et₂O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)终止反应。用旋转蒸发仪旋去THF得到粗产物。用甲苯析出粗产物中的复合物以及金属盐，滤去固体杂质，再旋去甲苯。最后将产物溶于CH₂Cl₂中，再将混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。离心分离得到白色固体，转移至真空干燥箱中干燥。聚合物结构通过¹H NMR与¹³C NMR鉴定，聚合物的分子量及分散度通过GPC测定。经测定，聚合物的转化率为＞99％，产率为43％，M_w为18.9kg/mol，M_n/M_w为1.3。

实施例5

将丙交酯(2.5mmol，100equiv.)，ZnCl₂(37.5μmol，1.5equiv.)加入到具有5mL THF的聚合管中，搅拌均匀。再将NCyMe₂(25μmol，1equiv.)加入到反应体系中去开启聚合反应，聚合反应在室温下进行，并且整个体系在氩气保护下。反应过程中用¹H NMR检测丙交酯含量，当体系统丙交酯消耗完全后，加入HCl/Et₂O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)终止反应。用旋转蒸发仪旋去THF得到粗产物。用甲苯析出粗产物中的复合物以及金属盐，滤去固体杂质，再旋去甲苯。最后将产物溶于CH₂Cl₂中，再将混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。离心分离得到白色固体，转移至真空干燥箱中干燥。聚合物结构通过¹H NMR与¹³C NMR鉴定，聚合物的分子量及分散度通过GPC测定。经测定，聚合物的转化率＞99％，产率为43％，M_w为48.9kg/mol，M_n/M_w为1.3。

实施例6

将丙交酯(2.5mmol，100equiv.)，AlCl₃(50μmol，2equiv.)加入到具有5mL THF的聚合管中，搅拌均匀。再将NCyMe₂(25μmol，1equiv.)加入到反应体系中去开启聚合反应，聚合反应在室温下进行，并且整个体系在氩气保护下。反应过程中用¹H NMR检测丙交酯含量，当体系统丙交酯消耗完全后，加入HCl/Et₂O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)终止反应。用旋转蒸发仪旋去THF得到粗产物。用甲苯析出粗产物中的复合物以及金属盐，滤去固体杂质，再旋去甲苯。最后将产物溶于CH₂Cl₂中，再将混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。离心分离得到白色固体，转移至真空干燥箱中干燥。聚合物结构通过¹H NMR与¹³C NMR鉴定，聚合物的分子量及分散度通过GPC测定。经测定，聚合物的转化率为＞99％，产率为55％，M_w为46.6kg/mol，M_n/M_w为1.6。

实施例7

将丙交酯(1.75mmol，70equiv.)，AlCl₃(30μmol，1.2equiv.)加入到具有4mL THF的聚合管中，搅拌均匀。再将TEA(25μmol，1equiv.)加入到反应体系中去开启聚合反应，聚合反应在室温下进行，并且整个体系在氩气保护下。反应过程中用¹H NMR检测丙交酯含量，当体系统丙交酯消耗完全后，加入HCl/Et₂O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)终止反应。用旋转蒸发仪旋去THF得到粗产物。用甲苯析出粗产物中的复合物以及金属盐，滤去固体杂质，再旋去甲苯。最后将产物溶于CH₂Cl₂中，再将混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。离心分离得到白色固体，转移至真空干燥箱中干燥。聚合物结构通过¹H NMR与¹³C NMR鉴定，聚合物的分子量及分散度通过GPC测定。经测定，聚合物的转化率＞99％，产率为55％，M_w为36.6kg/mol，M_n/M_w为1.4。